Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodark...
Transcript of Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodark...
PROJEKT WSPÓŁFINANSOWANY PRZEZ UNIĘ EUROPEJSKĄ Z EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO
Projekt: KLIMAT
„Wpływ zmian klimatu na środowisko,
gospodarkę i społeczeństwo”
(zmiany, skutki i sposoby ich ograniczenia, wnioski dla nauki,
praktyki inżynierskiej i planowania gospodarczego)
Tytuł Zadania Nr 2: Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na
jakość życia – możliwości ograniczenia skutków.
Okres sprawozdawczy: styczeń - grudzień 2009 r.
Koordynator Zadania Nr 2
dr Leszek Ośródka
Katowice, styczeń 2010 r.
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
2
Wykonawcy pracy
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej
Oddział w Krakowie, Zakład Monitoringu i Modelowania Zanieczyszczeń Powietrza
dr Leszek Ośródka
dr Ewa Krajny
dr Marek Wojtylak
mgr Katarzyna Szeflińska
mgr Jerzy Skorczyński
mgr Jolanta Godłowska
mgr Anna M. Tomaszewska
mgr Monika Hajto
mgr Wiesław Kaszowski
mgr inż. Wojciech Rozwoda
Ośrodek Główny, Dział Numerycznych Prognoz Meteorologicznych COSMO
dr Andrzej Mazur
Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska PAN w Zabrzu
Zakład Ochrony Powietrza
dr inż. Krzysztof Klejnowski + zespół
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
3
Spis rzeczy
1. Cel i zakres zadania........................................................................................................ 5
Etap I: Zad. 2.1 Identyfikacja głównych źródeł zanieczyszczeń z uwzględnieniem dalekiego
transportu.................................................................................................................................... 6
2. Cel badań i zakres wykonywanych prac ........................................................................ 6
3. Metodyka badań ............................................................................................................. 7
4. Charakterystyka osiągniętych wyników......................................................................... 7
Rola emisji zanieczyszczeń w kształtowaniu jakości powietrza........................................... 7
Wybór i charakterystyka obszaru badań ............................................................................. 8
Monitoring pyłu zawieszonego i ocena jakości powietrza .................................................. 9
Poziom stężeń pyłu zawieszonego w powietrzu.............................................................. 9
Baza wiedzy ....................................................................................................................... 10
Przegląd metod identyfikacji głównych źródeł zanieczyszczeń metodą trajektorii
wstecznych ......................................................................................................................... 11
Opis systemów modelowania transportu zanieczyszczeń powietrza ............................ 11
Identyfikacja potencjalnych odległych źródeł emisji wpływających na stężenie PM10 w
zimie na Śląsku i w Małopolsce metodą trajektorii wstecznych................................... 12
Określenie tła lokalnego i regionalnego zanieczyszczeń dla potrzeb określenia stanu
zanieczyszczenia powietrza w Polsce ........................................................................... 13
Etap II: Zad. 2.2 Identyfikacja zespołu czynników meteorologicznych odpowiedzialnych za
groźne dla zdrowia stężenia zanieczyszczeń............................................................................ 14
5. Cel badań i zakres wykonywanych prac ...................................................................... 14
6. Metodyka badań ........................................................................................................... 14
7. Charakterystyka osiągniętych wyników....................................................................... 15
Wybór kryteriów klasyfikacji zagrożenia epizodami wysokich stężeń zanieczyszczeń ...... 15
Analiza zależności występowania wysokich stężeń PM10 od typów cyrkulacji Lityńskiego
........................................................................................................................................... 16
Analiza epizodów wysokich stężeń zanieczyszczeń pod kątem diagnozy sytuacji
meteorologicznej................................................................................................................ 16
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
4
Wykorzystanie informacji z naziemnych stacji meteorologicznych do oceny warunków
rozprzestrzeniania zanieczyszczeń ze szczególnym uwzględnieniem identyfikacji epizodów
smogowych......................................................................................................................... 17
Wykorzystanie informacji teledetekcyjnych do oceny warunków rozprzestrzeniania
zanieczyszczeń w WGA ...................................................................................................... 17
Scenariusze potencjalnego zagrożenia smogowego w przeszłości.................................... 18
Badanie wpływu zmienności klimatu na zmienność potencjalnego zagrożenia smogowego
........................................................................................................................................... 19
Etap III: Zad. 2.3 Analiza składu zanieczyszczeń gazowych i pyłowych w celu identyfikacji
ich miejsca powstawania i występowania, wpływu na społeczeństwo i gospodarkę. Ocena
przestrzenna rozkładu na obszarze Polski i zmienności okresowej ......................................... 21
8. Cel badań i zakres wykonywanych prac ...................................................................... 21
9. Metodyka badań ........................................................................................................... 21
10. Charakterystyka osiągniętych wyników....................................................................... 21
Ocena udziału pierwotnych i wtórnych zanieczyszczeń w ocenie zagrożenia jakości
powietrza w Polsce ............................................................................................................ 21
Opracowanie koncepcji prowadzenia badań, pomiarów pyłu i nanocząstek.................... 22
Badanie składu granulometrycznego pyłu w miejscach poboru próbek ........................... 23
Opracowanie rozkładu czasoprzestrzennego zanieczyszczeń powietrza w badanym
obszarze przy wykorzystaniu wyników badań bieżących oraz historycznych.................... 25
Próba określenia związków stężeń i składu chemicznego pyłu z warunkami
topograficznymi, urbanizacją i meteorologią.................................................................... 26
Podsumowanie ......................................................................................................................... 28
Propozycja praktycznego wykorzystania wyników badań....................................................... 29
Literatura .................................................................................................................................. 29
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
5
Cel i zakres zadania
Celem prowadzonych badań jest określenie wzajemnych relacji pomiędzy
zanieczyszczeniem powietrza, głównie pyłowym, w warstwie granicznej atmosfery (WGA) a
zespołem czynników meteorologicznych, w sytuacji obserwowanych zmian klimatu i ich
wpływ na społeczno-ekonomiczne uwarunkowania życia mieszkańców Polski, a przede
wszystkim potencjalne skutki zdrowotne.
Pierwszy rok realizacji pracy, zgodnie z przyjętymi założeniami, upłynął głównie na
zebraniu danych, przeglądzie literatury, wypracowaniu i weryfikacji metodyk, które zostaną
zastosowane po zakończeniu części eksperymentalnej dla potrzeb analizy bazy danych. Każda
z zaproponowanych dróg postępowania została przetestowana, a jej wyniki zamieszczone w
części opisowej raportu.
Istotnym elementem zakresu prac w pierwszym roku realizacji zadania nr 2 był
także zakup aparatury specjalnej, której uruchomienie rozpoczęło właściwy etap prac
projektu.
Realizacja prac skupiała się w rozwiązywaniu trzech zadań cząstkowych, których
zakres przedstawiono poniżej.
2.1. Identyfikacja głównych źródeł zanieczyszczeń z uwzględnieniem dalekiego
transportu
� W oparciu o analizę trajektorii wstecznych (dla wybranych epizodów wysokich
stężeń) oraz dane dotyczące inwentaryzacji emisji (krajowej i europejskiej),
opracowana zostanie baza danych o głównych źródłach emisji mających potencjalnie
wysoki udział w imisji na obszarze aglomeracji, szczególnie na przykładzie
górnośląskiej i krakowskiej.
� Dla tej grupy źródeł zostaną określone macierze przejść umożliwiające ocenę tła
lokalnego i regionalnego.
2.2. Identyfikacja zespołu czynników meteorologicznych odpowiedzialnych za groźne
dla zdrowia stężenia zanieczyszczeń
� Identyfikacja zespołu czynników meteorologicznych odpowiadających za
powstawanie tzw. epizodów wysokich stężeń zanieczyszczeń, które są zjawiskiem
szczególnie niebezpiecznym dla zdrowia, w tym określenie związków tzw. wysokości
warstwy mieszania z wielkością stężeń zanieczyszczeń oraz wpływu typów cyrkulacji
atmosfery na te zjawiska.
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
6
� Próby odtworzenia scenariuszy potencjalnego zagrożenia epizodami smogowymi w
przeszłości (gdy dostępna była tylko informacja meteorologiczna i katalog sytuacji
synoptycznych).
� Określenie zmienności czasowej potencjalnych zagrożeń aerosanitarnych w badanym
regionie.
� Próba odpowiedzi na pytanie o ile zmienność klimatu może wpływać na zmienność
potencjalnego zagrożenia smogowego.
2.3. Analiza składu zanieczyszczeń gazowych i pyłowych w celu identyfikacji ich
miejsca powstawania i występowania, wpływu na społeczeństwo i gospodarkę.
Ocena przestrzenna rozkładu na obszarze Polski i zmienności okresowej
� Ocena udziału pierwotnych i wtórnych zanieczyszczeń w ocenie zagrożenia jakości
powietrza w Polsce.
� Identyfikacja obszarów problemowych w zakresie imisji zanieczyszczeń i ich
klasyfikacja w aspekcie narażenia na oddziaływanie źródeł lokalnych, regionalnych i
kontynentalnych, z uwzględnieniem wagi czynników mikroklimatycznych i
synoptycznych uwarunkowań imisji.
Wyniki realizacji Etapu I, II, III
Etap I: Zad. 2.1 Identyfikacja głównych źródeł zanieczyszczeń z uwzględnieniem
dalekiego transportu
Cel badań i zakres wykonywanych prac
Celem niniejszego zadania było wypracowanie metodyki identyfikacji głównych
źródeł zanieczyszczeń powietrza z uwzględnieniem dalekiego transportu. Dla osiągnięcia
zamierzonego celu przeprowadzono następujące prace:
- określono rolę emisji zanieczyszczeń w kształtowaniu jakości powietrza,
- dokonano wyboru i przeprowadzono charakterystykę obszaru badań,
- określono cele w zakresie oceny jakości powietrza na podstawie wytycznych PMŚ,
- utworzono bazę wiedzy ze szczególnym uwzględnieniem bazy danych
zanieczyszczenie-meteorologia,
- zaimplementowano metodykę trajektorii wstecznych do identyfikacji źródeł
zanieczyszczeń:
o dokonano przeglądu identyfikacji głównych źródeł zanieczyszczeń z
uwzględnieniem dalekiego transportu,
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
7
o opracowano metodykę określania tła lokalnego i regionalnego dla potrzeb
określenie stanu zanieczyszczenia powietrza.
Metodyka badań
Zróżnicowany charakter zadań cząstkowych niniejszego zadania wymagał stosowania
różnych podejść metodycznych. W głównej mierze zdanie to skupiało się na tworzeniu
koncepcji prowadzenia badań szczegółowych i wymagało przede wszystkim studiów
literaturowych, przeglądu istniejącego prawodawstwa z zakresu ocen jakości powietrza,
analizy możliwości wykorzystania istniejących baz danych o emisji zanieczyszczeń,
warunkach meteorologicznych i stężeniach zanieczyszczeń. Rozproszone bazy danych
emisyjnych, meteorologicznych, dostępnych systemów monitoringu oraz geograficznych
połączono, tworząc tzw. bazę wiedzy przy wykorzystaniu metod stosowanych w teorii baz
danych. Do identyfikacji źródeł zanieczyszczeń wykorzystywano zarówno ogólnodostępne w
internecie programy obliczeniowe, jak też zaimplementowano własny model trajektorii
wstecznych.
Charakterystyka osiągniętych wyników
Rola emisji zanieczyszczeń w kształtowaniu jakości powietrza
Pył zawieszony PM pochodzi zarówno ze źródeł antropogenicznych jak i naturalnych.
Do tych ostatnich zalicza się między innymi: wybuchy wulkanów, pustynnienie, pożary lasów
i stepów, sztormy, wietrzenie oraz erozja skał i gleb, pyłki kwiatowe i zarodniki roślin,
bioaerozol, które wraz z pyłami pochodzenia kosmicznego stanowią naturalne tło
zanieczyszczeń pyłowych Ziemi. Spośród antropogenicznych źródeł emisji pyłu
najpowszechniejsze są: niektóre procesy przemysłowe w tym produkcja energii, spalanie
paliw stałych, płynnych i gazowych, transport (samochodowy, kolejowy, morski, lotniczy),
budownictwo, rolnictwo, hodowla zwierząt, bytowanie człowieka. Powyższy podział jest
bardzo ogólny. Dla konkretnych celów można go uszczegóławiać między innymi stosując
podział na przykład pod względem wielkości emitowanych cząstek z danego rodzaju źródła.
W skali globalnej większość PM w atmosferze pochodzi ze źródeł naturalnych, stanowiąc
zarazem tło dla cząstek pochodzenia antropogenicznego. Proporcje naturalnego i
antropogenicznego PM są diametralnie różne dla różnych miejsc. Jak można przyjąć, że
źródła naturalne są rozłożone równomiernie w skali globalnej Ziemi, tak źródła
antropogeniczne umiejscowione w regionach przemysłowych mają charakter lokalny. W
obszarach zurbanizowanych źródła naturalne mają mniejsze znaczenie w emisji pyłu niż
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
8
źródła antropogeniczne. Warto podkreślić, że dominacja źródeł antropogenicznych w różnych
rejonach związana jest z emisją zwłaszcza drobnego pyłu, frakcji PM2,5.
Problem emisji PM w tym drobnocząsteczkowego, z poszczególnych źródeł
antropogenicznych został opisany w raporcie EMEP z 2009 r. Ogólnie stwierdzono, że w
latach 2000-2007, biorąc pod uwagę kraje EU-27, emisja PM zmalała. Redukcja emisji
została osiągnięta głównie poprzez użycie paliw o mniejszej zawartości siarki, zastąpienie
paliwa węglowego i olejowego gazem naturalnym, wdrożeniem technologii ograniczających
emisję oraz wzrastająca konkurencyjność rynkową pojazdów wyposażonych w katalizatory
spalin (EEA, 2007). Ważnym wnioskiem jest również fakt, że zarówno w regionie
wschodnim jak i zachodnim Europy, objętym badaniami, za główne źródło emisji uznaje się
spalanie węgla w mieszkaniach. Ponadto duży udział ma również produkcja energii
elektrycznej i cieplnej oraz spalanie stacjonarne w zakładach produkcyjnych (głównie w
Europie Wschodniej). Transport drogowy także znacząco wpływa na emisję PM zarówno w
regionach wschodnich jak i zachodnich.
Wybór i charakterystyka obszaru badań
Największe problemy dotyczące jakości powietrza we współczesnej Europie
występują w aglomeracjach miejskich. Na obszarze takich aglomeracji żyje do 80%
społeczeństwa UE, stąd troska o właściwą jakość powietrza w tych obszarach jest szczególnie
duża. Przyjmując kryteria Unii Europejskiej w sprawie aglomeracji miejskiej za taką uznaje
się zwarte skupisko miejskie zamieszkane przez co najmniej 250 000 stałych mieszkańców.
W mniejszej pracy jako obszar badawczy objęto tereny dwóch sąsiadujących województw
Polski Południowej: śląskiego i małopolskiego. W obu aglomeracjach tego obszaru mieszka
ogółem 1/3 ludności aglomeracji w Polsce i należą do jednych z najbardziej
uprzemysłowionych obszarów kraju. Zarazem z względu na istniejące od wielu lat problemy
ekologiczne w województwach tych jest też obecnie najlepiej rozwinięta sieć monitoringu
jakości powietrza, a dane o stężeniach zanieczyszczeń stanowią długie ciągi obserwacyjne.
Jeżeli dodatkowym argumentem może być stosunkowo bogata baza wiedzy o potencjalnych
skutkach zdrowotnych zanieczyszczenia powietrza w przeszłości i duży potencjał badawczy
tego regionu, to w tym momencie pojawia się odpowiedź na pytanie dlaczego dokonano
wyboru tego obszaru jako miejsca szczegółowych badań „Stanu zanieczyszczeń powietrza w
Polsce i jego wpływ na jakość życia – możliwości ograniczenia skutków”. Uzyskane rezultaty
z tego terenu posłużą jako materiał wejściowy do uogólniania wniosków na obszar całego
kraju.
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
9
Monitoring pyłu zawieszonego i ocena jakości powietrza
Duży postęp w monitorowaniu jakości powietrza wprowadziła automatyzacja
pomiarów wybranych zanieczyszczeń w tym pyłu PM10 a obecnie na niektórych stacjach
także pyłu respirabilnego (PM2,5, PM1). W aglomeracji krakowskiej jak i też w aglomeracji
górnośląskiej powstały pierwsze w Polsce automatyczne systemy monitoringu jakości
powietrza jeszcze w połowie lat 90. ubiegłego stulecia. Dopiero bowiem od 2005 roku
automatyczny monitoring jakości powietrza stał się ustawowym obowiązkiem kontroli
środowiska atmosferycznego w Polsce w ramach zadań Państwowego Monitoringu
Środowiska (PMŚ). Monitoring ten funkcjonuje obecnie w strukturach Głównego
Inspektoratu Ochrony Środowiska (GIOŚ) jako sieci stacji podlegających Wojewódzkim
Inspektoratom Ochrony Środowiska (WIOŚ).
Zgodnie z ustawą Prawo Ochrony Środowiska (Dz. U. z 2008 r., Nr 25, poz. 150 tekst
jednolity z późn. zm., art. 89; art. 91, ust. 1) coroczną ocenę jakości powietrza wykonuje się
dla tak zwanych stref, którą to strefę stanowi (art. 87, pkt 2):
- aglomeracja o liczbie mieszkańców większej niż 250 tysięcy, lub
- obszar jednego lub więcej powiatów położonych na obszarze tego samego
województwa, nie wchodzący w skład aglomeracji, o której mowa powyżej.
Zgodnie z Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 6 marca 2008 r. w sprawie
stref, w których dokonuje się oceny jakości powietrza, w województwie śląskim
zdefiniowano dwie aglomeracje i osiem stref, a w województwie małopolskim – jedną
aglomerację i dziesięć stref dla oceny pyłu zawieszonego. W niniejszym opracowaniu
przyjęto podział na strefy obowiązujący w dniu sporządzania niniejszego raportu tj. zgodny z
RMŚ w sprawie stref i aglomeracji, w których dokonuje się oceny jakości powietrza (Dz. U. z
2008 r. Nr 52, poz. 310) - pod kątem zawartości pyłu zawieszonego.
Poziom stężeń pyłu zawieszonego w powietrzu
W RMŚ Dz. U. z 2008 r., Nr 52, poz. 310 norma PM10 obejmuje dwie wartości:
stężenie średniodobowe 50 µg/m3, wartość ta może być przekroczona przez nie więcej niż 35
dni w roku kalendarzowym, stężenie średnioroczne 40 µg/m3. Obecnie nie ma regulacji
prawnych odnośnie PM2,5. Wyznaczenie wartości dopuszczalnej ma zostać poprzedzone w
pierwszej fazie wartością docelową. Termin osiągnięcia wartości docelowej 25 µg/m3 –
wartość średnioroczna, ma zostać osiągnięty przez państwa członkowskie Unii Europejskiej 1
stycznia 2010 roku, a wartość dopuszczalna 20 µg/m3 – 1 stycznia 2020 roku.
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
10
Z kolei Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) na bieżąco analizuje dane
epidemiologiczne odnośnie poziomu zanieczyszczenia powietrza i związanych z tym skutków
zdrowotnych. Wiadomo, że pył zawieszony PM o frakcji ≥ 2,5 posiada zdolność przenikania
do pęcherzyków płucnych i może stanowi zagrożenie dla zdrowia ludzkiego. Wysoki poziom
pyłu zawieszonego niekorzystnie wpływa na ludzi szczególnie z chorobami układu krążenia i
oddechowego. Poziomy stężeń zanieczyszczeń jakie powinny być dotrzymane zalecane przez
WHO są niższe od dopuszczalnych poziomów zanieczyszczeń zapisanych w Dyrektywnie PE
i Rady 2008/50/WE. Ostatnia aktualizacja wytycznych WHO proponuje następujące
dopuszczalne poziomy dla pyłu zawieszonego (WHO AQGs, 2005):
- PM10 stężenie średniodobowe 50 µg/m3, stężenie średnioroczne 20 µg/m3;
- PM2,5 stężenie średniodobowe 25 µg/m3, stężenie średnioroczne 10 µg/m3.
Baza wiedzy
Pod pojęciem bazy wiedzy gromadzonej dla potrzeb niniejszej pracy będzie się
rozumieć wszelkie zgromadzone w celu rozwiązania zagadnień związanych z realizacją
zadania informacje z dziedziny: meteorologii, ewidencji emisji zanieczyszczeń, stężeń
zanieczyszczeń, warunków: ekonomicznych, topograficznych, demograficznych,
ekologicznych, zdrowotnych i innych.
Baza wiedzy w tym przypadku stanowi zbiór otwarty co oznacza, że jest ona na bieżąco
uzupełniania o nowe dane z wielu dziedzin przydatne do uzyskania pełniejszej wiedzy o
rozwiązywanych zagadnieniach. Wykorzystanie bazy wiedzy obejmuje przede wszystkim
zaawansowane matematyczne metody statystyczne, w tym analiza wielowymiarowa i tzw.
metody eksploracji danych.
Ze względu na główny kierunek prac związany z określeniem wpływu warunków
meteorologicznych na stan jakości powietrza w tej części pracy przede wszystkim korzystano
z bazy wiedzy warunków meteorologicznych, bazy wiedzy warunków imisyjnych i ewidencji
emisji zanieczyszczeń. Każda z tych baz powstała z przetworzenia zbiorów danych
odpowiednich instytucji zajmujących się statutowo gromadzeniem informacji z danej
dziedziny. Największe problemy logistyczne powstały przy tworzeniu bazy danych
emisyjnych. Obszar Śląska i Małopolski zawiera wiele źródeł emisji, w tym znaczą część o
charakterze emisji niezorganizowanej, zatem jej skompletowanie było zadaniem bardzo
trudnym i czasochłonnym. W ramach tego zadania m.in. stworzono podstawy metodyczne,
opracowano i zweryfikowano bazę wiedzy danych zanieczyszczenia-meteorologia.
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
11
Przegląd metod identyfikacji głównych źródeł zanieczyszczeń metodą trajektorii wstecznych
Przez ostatnie kilkadziesiąt lat zanieczyszczenia atmosferyczne stały się problemem
międzynarodowym w Europie. Emisje w jednym z państw mogą powodować szkody w
innym. Zanieczyszczenia atmosferyczne są istotnym elementem degradacji środowiska w
całej Europie, w tym również w Polsce. Do poznania mechanizmów tej degradacji i jej
zapobiegania niezbędne jest tworzenie narzędzi, pozwalających na ocenę aktualnego stanu
środowiska naturalnego i prognozowanie proekologicznych działań gospodarczych i
społecznych.
Początkowo sądzono, że zanieczyszczenia środowiska będą miały wpływ jedynie
lokalny, głównie na obszary miejskie. Z tego powodu pierwsze badania jakości powietrza
obejmowały duże miastach, zarówno w USA, jak i w Europie. Podobnie, pierwsze próby
numerycznej symulacji transportu i transformacji zanieczyszczeń podejmowano w skali od
lokalnej do regionalnej. W tym kontekście, przez długi czas postrzegano, że problemy skali
miejskiej mogą być traktowane z pomocą mezoskalowych modeli zanieczyszczeń powietrza,
gdzie rozważa się bądź wystarczająco duży obszar, lub ustalane są dokładne warunki
graniczne. Poglądy te okazały się nieadekwatne do rzeczywistości, kiedy to zanieczyszczone
powietrze – poprzez transport w wysokich warstwach atmosfery – staje się odczuwalne i
realne również w skali regionalnej. Niezbędne zatem stało się przygotowanie narzędzi, które
będą w stanie zwiększyć ogólną i szczegółową wiedzę o tym problemie – w skali całego
świata. Takimi narzędziami, ogólnie rzecz ujmując, są modele i systemy modelowania
dyspersji atmosferycznej zanieczyszczeń.
Opis systemów modelowania transportu zanieczyszczeń powietrza
W skład systemu, określanego jako „model transportu zanieczyszczeń powietrza”
wchodzą następujące elementy:
- moduł terenowy (wysokość nad poziomem morza, rodzaj pokrycia itp.) do
wykorzystania przez moduł meteorologiczny, emisji i dyspersji,
- moduł pozwalający na wyznaczenie pola wiatru i innych niezbędnych parametrów
meteorologicznych, określany czasem jako preprocesor meteorologiczny,
- model emisji, wykorzystujący dane z preprocesora meteorologicznego i niekiedy
informacje o terenie,
- właściwy model dyspersji (rozprzestrzeniania się skażeń).
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
12
W powyższym schemacie rolę preprocesora meteorologicznego odgrywa
mezoskalowy model meteorologiczny COSMO-LM, działający operacyjnie w Instytucie
Meteorologii i Gospodarki Wodnej.
Wykorzystując bieżące dane, uzyskiwane z modelu meteorologicznego, można w
sposób operacyjny obliczać trajektorie wychodzące z zadanego punktu. Możliwości
operacyjnego wykorzystania takiego modułu, zasilanego bieżącymi danymi prognostycznymi,
ogniskują się przede wszystkim w sferze prognozy rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń
powietrza w wybranych punktach w domenie modelu. Można, bazując na wiarygodności
prognozy - określić, w jakim kierunku rozprzestrzeniać się mogą zanieczyszczenia w ciągu
najbliższych dni. Warto również pamiętać, że prognoza dyspersji danego zanieczyszczenia
może być w warunkach tego wymagających odnawiana i korygowana co dwanaście godzin.
Procedura obliczania trajektorii wychodzących z zadanego punktu obejmuje:
1. Wyznaczenie współrzędnych x, y, z punktu startowego (poprzez wybór punktu z
mapy, wprowadzenie współrzędnych lub wybór lokalizacji np. jednej z elektrowni
atomowych).
2. Określenie wartości pól wiatru u, v, w dla danego punktu.
3. Określenie przesunięcia cząstki powietrza wychodzącej z danego punktu na bazie
równań określających położenie w n+1 kroku czasowym z wykorzystaniem wartości
pola wiatru w n-tym kroku.
4. Powtórzenie poprzedniego punktu odpowiednią ilość razy dla policzenia całej
trajektorii.
W pracy przetestowano dla obszaru Śląska i Małopolski dwa podejścia do problemu
transportu zanieczyszczeń tj. lagranżowskie i eulerowskie.
Identyfikacja potencjalnych odległych źródeł emisji wpływających na stężenie PM10 w zimie
na Śląsku i w Małopolsce metodą trajektorii wstecznych
W pracy podjęto próbę identyfikacji odległych źródeł emisji wpływających na
wielkość rejestrowanej imisji PM10 na Śląsku i w Małopolsce. Do tego celu wykorzystano
trajektorie wsteczne obliczone modelem HYSPLIT. Każdej trajektorii przyporządkowano
wartość imisji w miejscu jej inicjacji. Efekt występowania większego błędu położenia
trajektorii przy większej zmienności przestrzennej pola wiatru uwzględniono poprzez
jednoczesną analizę danych z 9 stacji monitoringu jakości powietrza z Małopolski i Śląska
oraz trzech różnych wysokości trajektorii w miejscu inicjacji. Końcowa analiza uwzględniała
informację o wysokości smugi a także o wysokości opadu wzdłuż obliczanych trajektorii. Do
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
13
identyfikacji potencjalnych źródłowych obszarów emisji wykorzystano program SURFER,
umożliwiający zaawansowaną analizę danych obszarowych. Interpoluje on, stosując
różnorodne metody, dane z nierównomiernie rozłożonych punktów do równomiernej siatki
gridowej. Porównano różne metody interpolacji (kriging, inverse distance to power,
naturalnych sąsiadów oraz oparte o różne charakterystyki statystyczne), ostatecznie decydując
się na zastosowanie metody interpolacji opartej o obliczenia wartości dolnego kwartyla.
Wartości dolnego kwartyla obliczano dla obszaru elipsy, której rozmiary powiązano z
wielkością szacowanego błędu wyznaczenia trajektorii. Wyznaczenie trajektorii wstecznych
przeprowadzono dla okresu 1. XI. 2005 – 28. II. 2006. W ten sposób analiza objęła dni z
najsilniejszymi epizodami smogowymi z lat 2005-2008, jednocześnie uwzględniając dni z
niskimi stężeniami zanieczyszczeń. Przy obliczaniu trajektorii wstecznych porównano
rezultaty uzyskane dla trzech różnych rodzajów globalnych danych meteorologicznych
(GDAS, FNL i REANALYSIS). Ostatecznie analizę oparto o dane FNL obliczone dla
hemisferycznej siatki gridowej 129 x 129 w projekcji polarnej stereograficznej. W celu
określenia do jakiego momentu wstecz stężenia PM10 w miejscu docelowym mogą być
powiązane z obszarami źródłowymi obliczono korelacje wysokości opadu rejestrowanego
wzdłuż trajektorii z wysokością imisji osobno dla różnych opóźnień czasowych. Otrzymany
rezultat może świadczyć o tym, że analiza powinna opierać się raczej na trajektoriach
obliczanych wstecz do około 24 h. Dało to podstawy do ograniczenia ostatecznej wielkości
obszaru identyfikacji źródeł do obszaru Europy.
Określenie tła lokalnego i regionalnego zanieczyszczeń dla potrzeb określenia stanu
zanieczyszczenia powietrza w Polsce
Do oceny wielkości tła lokalnego i regionalnego posłużono się wynikami badania
napływu zanieczyszczeń z różnych odległości, wykorzystując metodę trajektorii wstecznych.
Metoda oceny została opracowana dla obszarów pilotowych to jest obszaru Polski
Południowej – Śląska i Małopolski.
Pod pojęciem trajektorii wstecznych bliskiego transportu będziemy rozumieli
trajektorie cząstek zanieczyszczeń o długości od 50 m do około 30 km. Kluczowym
problemem dla obliczania trajektorii wstecznych jest jak najbardziej dokładne oszacowanie
trójwymiarowego pola wiatru. Dla trajektorii wstecznych bliskiego transportu konieczne jest
szacowanie wektora wiatru w drobnej siatce o oczkach rzędu setek metrów. Przy
prędkościach wiatru 0-3 m/s w ciągu 3 godzin cząsteczka przebywa drogę od 0 - 30 km i tam
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
14
powinno się szukać emitorów lokalnych. W opracowaniu zaproponowano ciągłe oszacowanie
wektora wiatru zarówno jeżeli chodzi o przestrzeń jak i czas.
Dane do obliczania trajektorii wstecznych
Jedynymi danymi, w których opisywane jest trójwymiarowe pole wiatru, ze stałym
krokiem czasowym, są dane z modelu numerycznej prognozy pogody COSMO-LM.
Dwuwymiarowe pole wiatru obliczane jest w siatce prostokątnej na powierzchni Ziemi o
boku około 14 km. Ponadto w tych samych punktach oblicza się pole wiatru na wysokości
geopotencjalnej 950 hPa, co oznacza na terenie województwa śląskiego oraz małopolskiego
(przynajmniej w tych rejonach w których mierzona jest imisja zanieczyszczeń) wysokość
300-500 m nad poziomem gruntu (n.p.gr.).
Wykorzystując te informacje opracowano własny algorytm obliczania trajektorii
wstecznej, który następnie zastosowano w obliczeniach dla wybranych sytuacji epizodów
wysokich stężeń pyłu w badanym obszarze modelowym.
Etap II: Zad. 2.2 Identyfikacja zespołu czynników meteorologicznych odpowiedzialnych
za groźne dla zdrowia stężenia zanieczyszczeń
Cel badań i zakres wykonywanych prac
Celem niniejszego zadania było wypracowanie metodyki identyfikacji zespołu
czynników meteorologicznych odpowiedzialnych za groźne dla zdrowia stężenia
zanieczyszczeń. Dla jego realizacji zrealizowano następujące prace:
- dokonano wyboru kryteriów klasyfikacji zagrożenia epizodami wysokich stężeń
zanieczyszczeń,
- stworzono podstawy metodyczne i dokonano wyboru modelowych epizodów
wysokich stężeń zanieczyszczeń pod kątem diagnozy sytuacji meteorologicznej,
- opracowano metodykę odtworzenia scenariuszy potencjalnego zagrożenia
smogowego w przeszłości,
- opracowano i przetestowano metodykę badania wpływu zmienności klimatu na
zmienność potencjalnego zagrożenia smogowego.
Metodyka badań
W zależności od rodzaju zagadnień w tej części pracy posługiwano się metodami:
- statystyki opisowej,
- analizy regresji,
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
15
- zaawansowanych metod wnioskowania w tym m.in. metodę głównych składowych,
analizę dyskryminacyjną, grupowanie metodą k – najbliższych sąsiadów, rzutowanie
Samsona, samoorganizujące się mapy Kohonena, elementy tzw. logiki rozmytej.
Charakterystyka osiągniętych wyników
Wybór kryteriów klasyfikacji zagrożenia epizodami wysokich stężeń zanieczyszczeń
Ustawodawstwo polskie definiuje tzw. sytuacje alarmowe, które skutkować powinny
wprowadzeniem działań krótkoterminowych (ustawa Poś, RMŚ) jednak powszechność
występowania takich sytuacji powoduje, że wprowadzenie działań zaradczych w praktyce jest
nieskuteczne ze względu na trudne do oszacowania skutki społeczne i ekonomiczne. Stąd
istnieje pilna potrzeba określenia takich sytuacji, które szczególnie ze względu na związek z
warunkami meteorologicznymi mogą faktycznie zagrażać zdrowiu i życiu społeczności
obszarów, gdzie takie warunki sanitarne powietrza występują.
W niniejszej pracy zastosowano następujące podejścia :
- prawne: - związane z przekroczeniem normy dobowej stężenia PM10 >50 µg/m3,
więcej niż 35 razy w roku kalendarzowym),
- związane z poziomem alarmowym wynoszącym 200 µg/m3 (stężenie
średnie dobowe PM10) tj. wartość progowa informowania
społeczeństwa o ryzyku wystąpienia przez trzy kolejne doby
niekorzystnych skutków zdrowotnych;
- statystyczne: - oparte na lokalnych warunkach meteorologicznych i topograficznych
w powiązaniu ze skutkami zdrowotnymi, związane z przekroczeniem
dobowego stężenia zanieczyszczeń PM10 >150 µg/m3 i PM2,5 >40
µg/m3 („niezdrowa jakość powietrza”).
Analiza tych pierwszych przypadków polegała na badaniu zależności występowania takich
sytuacji od warunków meteorologicznych identyfikowanych za pomocą tzw. typów cyrkulacji
atmosfery. Metoda ta, przy zastosowaniu obiektywnej klasyfikacji typów cyrkulacji, pozwala
na kompleksową ocenę wpływu czynników meteorologicznych na jakość powietrza. Z dużym
przybliżeniem można bowiem typ cyrkulacji utożsamiać z określonym przebiegiem
warunków meteorologicznych, a na pewno z typem napływu mas powietrza.
Do bardziej szczegółowej analizy przypadków o wyższych dobowych stężeniach pyłu PM10
wykorzystano charakterystykę zespołu elementów meteorologicznych, wiążąc je z
zanieczyszczeniami powietrza przy wykorzystaniu zaawansowanych metod statystycznych.
Obie metody znakomicie się uzupełniają.
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
16
Analiza zależności występowania wysokich stężeń PM10 od typów cyrkulacji Lityńskiego
Celem tego zadania było wyznaczenie typów cyrkulacji Lityńskiego, dla których
najczęściej występują przekroczenie normy PM10 (50 µg/m3) i wyznaczenie typów, dla
których występują szczególnie wysokie stężenia PM10.
Analizę wykonano dla dwóch okresów zimnej pory roku (październik – marzec, listopad
– luty) w latach 2005-2007, dla dwóch obszarów oddzielnie (woj. śląskie – 15 stacji i woj.
małopolskie – 12 stacji). Do analizy przyjęto klasyfikację typów cyrkulacji Lityńskiego.
Analizę wykonano oddzielnie dla następujących wybranych dni pomiarowych: 1 -
przekroczenia normy PM10 minimum na 1 stacji, 2 - dni z pomiarami minimum na 50% stacji,
3 - dni z pomiarami minimum na 50% stacji i przekroczeniami normy minimum na 50% stacji
z danymi, 4 - dni z pomiarami minimum na 50% stacji i przekroczeniami normy minimum na
75% stacjach z danymi. Uwzględniono podział na krotność przekroczeń normy PM10.
Obliczono także, dla każdego typu cyrkulacji oddzielnie i dla każdego obszaru oddzielnie,
występowanie ilości przekroczeń normy PM10.
Analiza epizodów wysokich stężeń zanieczyszczeń pod kątem diagnozy sytuacji
meteorologicznej
Zarówno warunki meteorologiczne jak i czynniki lokalne mają istotne znaczenie w
kształtowaniu się stężeń zanieczyszczeń powietrza, w tym pyłu zwieszonego. Ocenia się, że te
pierwsze mogą nawet w 70% determinować warunki rozprzestrzeniania zanieczyszczeń.
Zjawisko to nabiera szczególnego znaczenia w chłodnej porze roku. W tym czasie jak
wiadomo czynniki meteorologiczne mogą wpływać na imisję pyłu poprzez między innymi:
- termiczne sterowanie niską emisją komunalną (wzrost zapotrzebowania na ogrzewanie
powoduje wzrost emisji),
- zwiększenie stężeń zanieczyszczeń pyłowych związanych z niekorzystnymi
warunkami wentylacyjnymi atmosfery.
W rozdziale przeprowadzono analizę wpływu warunków meteorologicznych na poziom
stężenia zanieczyszczeń pyłu i wyodrębniono zespół czynników meteorologicznych
odpowiadający za powstawanie epizodów wysokich stężeń tego zanieczyszczenia. Wyniki
badań pozwalają na stwierdzenie, że generalizując można wyodrębnić dwa główne typy
epizodów wysokich stężeń zanieczyszczeń. Cechą wspólną obu jest występowanie sytuacji
wyżowej o podobnych wartościach ciśnienia, przy czym pierwszy typ charakteryzujący się
nieco większymi stężeniami średniodobowymi i jest powszechniejszy od typu drugiego.
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
17
Wykorzystanie informacji z naziemnych stacji meteorologicznych do oceny warunków
rozprzestrzeniania zanieczyszczeń ze szczególnym uwzględnieniem identyfikacji epizodów
smogowych
Najpowszechniejszą informacją o warunkach meteorologicznych rozprzestrzeniania
się zanieczyszczeń jest ta pochodząca ze stacji naziemnych. W praktyce monitoringu jakości
powietrza źródłem takiej informacji są: stacje meteorologiczne IMGW a także
oprzyrządowanie meteorologiczne stacji monitoringu jakości powietrza.
Ze względu na fakt, że stacje monitoringu jakości powietrza lokalizowane są przede
wszystkim ze względu na kryterium prawidłowej oceny stężeń zanieczyszczeń często do
celów identyfikacji wpływu warunków meteorologicznych na powstawanie tzw. epizodów
smogowych wykorzystuje się dane ze stacji IMGW lokalizowanych zgodnie z wytycznymi
Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO). Wynika to również z faktu, że stacje
IMGW realizują większy zakres pomiarowy. Ma to szczególne znaczenie na przykład w
przypadku oceny tzw. klasy stabilności atmosfery, której wyznaczenie jest niezwykle
pomocne przy identyfikowaniu warunków dyspersji zanieczyszczeń. Z drugiej strony
stosowanie na coraz szerszą skalę metod eksploracji danych wymaga dostępu do dużej liczby
danych obserwacyjno-pomiarowych, które zapewniają tylko stacje IMGW. Wreszcie dane
stacji meteorologicznych IMGW służą do weryfikacji pomiarów elementów
meteorologicznych wykonywanych na sieci monitoringu jakości powietrza. Analizując
warunki topoklimatyczne badanych obszarów można z pewnym przybliżeniem
przyporządkować stacje meteorologiczne IMGW warunkom meteorologicznym
występującym na stacjach monitoringu jakości powietrza. Szczególnym przykładem
wykorzystania informacji meteorologicznej do oceny warunków rozprzestrzeniania się
zanieczyszczeń ze szczególnym uwzględnieniem identyfikacji epizodów smogowych jest
zastosowana w niniejszej pracy metoda odwzorowanie Sammona do identyfikacji sytuacji
meteorologicznych odpowiedzialnych za ich powstawanie.
Wykorzystanie informacji teledetekcyjnych do oceny warunków rozprzestrzeniania
zanieczyszczeń w WGA
Zinterpretowano rejestrogramy sodarowe z miejskiej stacji meteorologicznej w
Krakowie-Czyżynach, obejmujące lata 2005-2008, z jednogodzinną rozdzielczością czasową.
Wyodrębniono trzy podstawowe typy równowagi atmosfery w obrębie WGA (warstwy
granicznej atmosfery): stałą (obserwowaną porą nocną, charakteryzującą się obecnością tzw.
inwersji dolnej, ograniczającej pionową dyspersję zanieczyszczeń powietrza), obojętną
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
18
(typową dla izotermii, podczas występowania której nie obserwuje się ech sodarowych; do tej
grupy zaliczono również sytuacje ze znaczną, > 4 m/s prędkością wiatru, homogenizującego
termiczne struktury WGA oraz występowanie opadów) oraz chwiejną (identyfikowaną
występowaniem, wymuszanych gradientem temperatury pionowych ruchów konwekcyjnych,
wydatnie sprzyjających wertykalnemu rozprzestrzenianiu zanieczyszczeń). Pozyskano
ogółem zbiór ponad 32000 jednostek pomiarowych umożliwiający wykazanie podstawowych
zależności zasadniczych parametrów imisji od stanów równowagi atmosfery na drodze
statystycznej. Uzyskane wyniki przeanalizowano pod kątem występowania wysokich stężeń
zanieczyszczeń głównie pyłowych, uzyskując model statystyczny tych zależności.
Scenariusze potencjalnego zagrożenia smogowego w przeszłości
Celem tej części pracy było wyodrębnienie sytuacji meteorologicznych, które
potencjalnie odpowiadają za wystąpienie zagrożenia smogowego w przeszłości, i które można
zidentyfikować nawet w przypadku braku możliwości zweryfikowania uzyskanych danych
poprzez dane pomiarowe stężeń zanieczyszczeń (np. w przypadku braku pomiarów).
Stworzenie listy takich sytuacji ma posłużyć do klimatologicznej oceny zmienności
warunków meteorologicznych odpowiedzialnych za epizody smogowe w dłuższym
horyzoncie czasowym, bez odwoływania się do danych o zanieczyszczeniach. Wynika to z
faktu, że historyczne bazy danych klimatologicznych są o wiele bardziej liczne niż
historyczne dane o zanieczyszczeniach. Wykorzystując tylko dane o warunkach
meteorologicznych potencjalnie sprzyjających niekorzystnym sytuacjom aerosanitarnym
można przy użyciu modeli klimatycznych opracować scenariusze potencjalnych
niebezpiecznych sytuacji smogowych w przyszłości. Nie ulega co prawda dyskusji, iż
zagrożenia związane z emisja wysokich stężeń zanieczyszczeń, szczególnie pyłowych, przy
zachowaniu obecnych technologii, a także przy stosowaniu zaleceń Dyrektywy 2008/50/WE
w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy będą malały, jednak
zagrożenia związane z koncentracją nawet śladowych ilości pyłu w warunkach
meteorologicznie niekorzystnych pozostaną.
Jest wiele metod, które mogą posłużyć takiej ocenie, jednak autorom pracy szczególnie
wartościowa wydała się metoda zmniejszania (zwijania) wymiarów znana pod nazwą
odwzorowanie Sammona. Jej szczegółowy opis przedstawiono w rozdziale poprzednim.
Metoda ta o tyle wydaje się atrakcyjna, iż z pierwotnie zdefiniowanych kilkudziesięciu
czynników i elementów meteorologicznych odpowiedzialnych za niekorzystne warunki
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
19
aerosanitarne uzyskuje się bezwymiarowe wskaźniki, które w sposób hierarchiczny można
przyporządkować na osi czasu.
Badanie wpływu zmienności klimatu na zmienność potencjalnego zagrożenia smogowego
Obserwowana obecnie zmienność klimatu jest faktem i różne gremia naukowców tego
nie kwestionują. Przedmiotem otwartej dyskusji pozostają przyczyny tych zmian - naturalne
czy antropogeniczne i w jakim stopniu poszczególne czynniki odpowiadają za ten stan rzeczy.
Jednym z wymiernych efektów zmienności klimatu jest obserwowany wzrost temperatury
powietrza, który spowodowany jest nie tylko efektem cieplarnianym, ale również wynikiem
„czystszej” atmosfery. Konsekwencją rewolucji przemysłowej rozpoczętej w połowie lat 50.
ubiegłego wieku była intensywna emisja różnych związków chemicznych w tym szczególnie
pyłowych do atmosfery, tworzących w powietrzu aerozole, które powodowały osłabienie
docierającego promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi. Mimo, że zjawisko to do
lat 70. było intensywne i choć równocześnie do powietrza trafiało coraz więcej gazów
cieplarnianych, nie obserwowano bezpośrednich skutków ocieplania się klimatu. Efekt
cieplarniany postępował „ale nie robiło się od tego cieplej”, ponieważ do powierzchni Ziemi
docierało coraz mniej światła słonecznego. Współodkrywca tego zjawiska Atsume Ohmura
nazwał je w 1989 roku „zaciemnieniem”. Jednak hipoteza ta, oparta zresztą na wynikach
badań radiometrycznych, że w okresie 30-lecia (1960-1990) zmniejszyła się o kilka procent
ilość promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi, jak zwykle podzieliła badaczy na
jej zwolenników i przeciwników. Wyniki badań zwolenników hipotezy „zaciemnienia” były
przyjmowane z niedowierzaniem przez sceptyków. Zwracali oni uwagę na
nieporównywalność wyników pomiarów wynikającą z różnej klasy stosowanych przyrządów
(radiometrów), błędu pomiaru, zmianę sposobu wykonywania pomiarów, nierównomierność
ich rozmieszczenia na kuli ziemskiej (głównie lokalizowane były na lądach i obejmowały w
większości tereny miejskie, gdzie atmosfera była najbardziej zanieczyszczona), tym samym
podważając ich precyzję i wiarygodność. Natomiast kolejne badania zwolenników
potwierdzały to zjawisko, chociaż otrzymywano wyniki różniące się, co do tempa
zmniejszania docierającej energii słonecznej do atmosfery ziemskiej. Od lat 80. XX wieku na
skutek zmian w sektorze gospodarki przemysłowej, szczególnie krajów europejskich, ulegała
stopniowej redukcji emisja zanieczyszczeń i atmosfera stawała się coraz przejrzystsza. Jednak
dopiero w latach 90. powstała pierwsza jednorodna globalna sieć pomiarów radiometrycznych
Baseline Surface Radiation Network (BSRN). W analizach danych zaczęto także
wykorzystywać wyniki pomiarów satelitarnych. Tak naprawdę termin „globalne
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
20
zaciemnienie” przyjął się „na dobre” dopiero w I. połowie lat 90. Obecnie powszechnie
akceptowany jest pogląd, że część światła słonecznego zatrzymywana jest przez
zanieczyszczone powietrza (sadzą, aerozolami). Z drugiej strony obecność aerozoli w
powietrzu przyczynia się również do powstawania chmur składających się z kropelek zbyt
małych, aby mogły powodować opad atmosferyczny i tym samym chmury ograniczają
również dopływ bezpośredniego promieniowania słonecznego do powierzchni ziemi. Na
skutek tego klimat w przyszłości może być ciemniejszy i bardziej suchy. W wyniku
polepszenia się jakości powietrza od początku lat 90. i w związku z tym zwiększenia
przezroczystości atmosfery zaobserwowano stosunkowo szybki wzrost temperatury
powietrza. Czyli z jednej strony zanieczyszczone powietrze negatywnie wpływa na florę i
faunę na Ziemi, z drugiej strony stanowi przeciwwagę dla efektu cieplarnianego. Na
podstawie pomiarów grubości optycznej aerozoli oraz natężenia promieniowania słonecznego
na kilku stanowiskach pomiarowych w Europie oszacowano, że za wzrost temperatury
powietrza w około 50% odpowiada zmniejszenie się ilości aerozoli w powietrzu (Ruckstuhl
C. i in., 2008). Według innych badaczy znaczenie tego zjawiska w ocieplaniu się klimatu jest
znacznie mniejszy (Makowski K. i in., 2008). Jednym z przejawów rozjaśnienia się atmosfery
jest stopniowe zwiększanie się dobowej amplitudy temperatur (Makowski K. i in, 2008).
Analiza wyników przeprowadzona dla wybranych stacji meteorologicznych
zlokalizowanych w obszarze badań (województwo śląskie i małopolskie) wykazała, że w
badanym wieloleciu różnica pomiędzy dobową temperaturą maksymalną wykazywała
tendencję dodatnią, przy czym najbardziej zauważalną zmianę wykazały miesiące maj i
listopad. Obserwuje się również zmniejszenie się ilości dni mgłą czy zamgleniem (Vautard R.
i in., 2009) oraz zwiększył się udział obserwacji widzialności powyżej kilkudziesięciu
kilometrów. Analiza danych ze stacji synoptycznych wykazała, że od roku 1991 obserwuje
się sukcesywny wzrost udziału procentowego w całkowitej liczbie obserwacji widzialności
powyżej 20 km, który obecnie stanowi około 40%.
Tak, więc zmniejszenie poziomu emisji zanieczyszczeń do atmosfery z jednej strony
ujawniło rozmiary postępującego efektu zmian klimatu. Z drugiej strony, obecnie notowane
poziomy stężeń zanieczyszczeń pyłowych, wciąż stanowią problem ekologiczny i
niekorzystnie oddziałują na środowisko i zdrowie ludzi.
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
21
Etap III: Zad. 2.3 Analiza składu zanieczyszczeń gazowych i pyłowych w celu
identyfikacji ich miejsca powstawania i występowania, wpływu na społeczeństwo i
gospodarkę. Ocena przestrzenna rozkładu na obszarze Polski i zmienności okresowej
Cel badań i zakres wykonywanych prac
Celem niniejszego zadania jest dokonanie analizy składu zanieczyszczeń gazowych i
pyłowych w celu identyfikacji ich miejsca powstawania i występowania, wpływu na
społeczeństwo i gospodarkę, a także ocena przestrzenna rozkładu zanieczyszczeń na obszarze
Polski i zmienności okresowej. Zakres prac obejmował:
- ocenę udziału pierwotnych i wtórnych zanieczyszczeń w ocenie zagrożenia jakości
powietrza w Polsce,
- identyfikację obszarów problemowych w zakresie imisji zanieczyszczeń i ich
klasyfikację w aspekcie narażenia na oddziaływanie źródeł lokalnych, regionalnych i
kontynentalnych, z uwzględnieniem wagi czynników mikroklimatycznych i
synoptycznych uwarunkowań imisji.
Cele te realizowano opracowując następujące zadania cząstkowe:
- określenie potencjalnych warunków meteorologicznych transportu transgranicznego
pyłu drobnej frakcji przez Bramę Morawską z Czech do Polski i odwrotnie,
- opracowanie koncepcji prowadzenia badań i pomiarów pyłu i nanocząstek,
- badanie składu granulometrycznego pyłu w miejscach poboru próbek,
- opracowanie rozkładu czasoprzestrzennego zanieczyszczeń powietrza w badanym
obszarze przy wykorzystaniu wyników badań bieżących oraz historycznych.
Metodyka badań
Ze względu na zróżnicowany charakter zadania, szczegółowa metodyka prac została
podana przy omawianiu poszczególnych zadań cząstkowych.
Charakterystyka osiągniętych wyników
Ocena udziału pierwotnych i wtórnych zanieczyszczeń w ocenie zagrożenia jakości powietrza
w Polsce
W ramach prac przy realizacji niniejszego zadania opracowano metodykę oceny
udziału pierwotnych i wtórnych zanieczyszczeń powietrza wykorzystując utworzone w
zadaniu 2.1 bazy danych emisji zanieczyszczeń i stosowane w literaturze wskaźniki udziału
poszczególnych rodzajów emisji w emisji całkowitej. Na tej podstawie i przy wykorzystaniu
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
22
modelu CALPUFF dokonano próby modelowania udziału stężeń zanieczyszczeń pierwotnych
i wtórnych na obszarze południowej części województwa śląskiego. Kolejnym etapem pracy
było określenie potencjalnych warunków meteorologicznych transportu transgranicznego pyłu
drobnej frakcji przez Bramę Morawską z Czech do Polski i odwrotnie, jako czynnika
mającego znaczny wpływ na stężenie zanieczyszczeń w Raciborzu, gdzie zlokalizowano
aparaturę do pomiaru pyłu, zakupioną dla potrzeb niniejszego projektu.
W zależności od rodzaju zagadnień w tej części pracy posługiwano się metodami:
- statystyki opisowej,
- analizy regresji,
- zaawansowanych metod wnioskowania,
- opracowaną w zadaniu 2.1 metodą trajektorii wstecznych,
- modelowaniem matematycznym przy wykorzystaniu modelu CALPUFF.
Opracowanie koncepcji prowadzenia badań, pomiarów pyłu i nanocząstek
Skład frakcyjny aerozolu jest pochodną zachodzących stale w atmosferze procesów:
kondensacji, nukleacji, parowania, przemian chemicznych i osiadania na podłożu usuwania w
wyniku wymywania przez opady itd. Poznanie własności fizykochemicznych aerozolu
atmosferycznego umożliwia określenie jego pochodzenia, procesu powstawania, kierunku
dalszych przemian, czy też ekotoksyczności. Z uwagi na specyfikę emisji pyłowo-gazowej w
naszym kraju, zdominowanej przez emisje pochodzące ze spalania paliw kopalnych, oraz
gwałtowny wzrost emisji komunikacyjnej, problem poznania i określenia profilu
fizykochemicznego aerozoli atmosferycznych odgrywa kluczową rolę w ocenie zagrożenia
populacji. W praktyce zarządzania jakością powietrza uwaga koncentrowała się na
zagadnieniach pierwotnej emisji cząstek stałych. Z chwilą wprowadzenia norm na PM2,5
pojawiła się konieczność rozważania udziału wtórnych aerozoli powstających w wyniku
przemian chemicznych i fotochemicznych i ich roli w kształtowaniu zjawisk klimatycznych
oraz ich wpływu na standard życia populacji.
Zatem celem niniejszego zadania jest opracowanie koncepcji prowadzenia
kompleksowych badań aerozoli atmosferycznych, jako istotnego czynnika wpływającego na
jakość życia mieszkańców obszarów zurbanizowanych i czynnika istotnego w bilansie
radiacyjnym atmosfery. Zakres pracy obejmuje analizę dostępnych metod pomiaru aerozoli,
dobór aparatury do badań, wybór lokalizacji i określenie założeń technicznych oraz
organizacyjnych prowadzenia planowanych w projekcie kampanii pomiarowych.
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
23
Koncepcję prowadzenia pomiarów aerozoli opracowano w oparciu o analizę danych
literaturowych dotyczących problematyki pomiaru składu fizykochemicznego wybranych
frakcji aerozolu atmosferycznego, a także analizę możliwości wykorzystania posiadanej przez
IMGW i IPIŚ PAN specjalistycznej aparatury pomiarowej oraz oprogramowania do analizy
danych.
W raporcie podsumowującym realizację zadania przedstawiono zasady pomiaru oraz
charakterystykę techniczną dostępnej dla wykonawców projektu aparatury do badań składu
fizykochemicznego aerozoli atmosferycznych. Wskazano lokalizację i określono warunki
pomiarowe dwóch poletek badawczych: w Raciborzu - obszar monitorowania
transgranicznego napływu zanieczyszczeń z rejonów południowo zachodnich państw UE i
Zabrze - obszar o wysokiej antropopresji związany z dużą koncentracją przemysłu i
gospodarką komunalną opartą na węglu, tło obszaru typowe dla warunków dużej aglomeracji
miejsko-przemysłowej o potencjalnie znaczącym wpływie na klimat lokalny i regionalny.
Zaproponowano program pomiarowy obejmujący następujące badania:
1. Badania równoległe:
- badanie liczebności cząstek w zakresie 0.03 nm - 1 µm,
- badanie stężeń i liczebności cząstek w zakresie 1 - 40 µm,
- badania współczynników rozpraszania i odbicia wstecznego w trzech zakresach
długości fal promieniowania świetlnego (pasmo żółte, zielone i czerwone).
2. Pomiary dodatkowe:
- pomiary podstawowych parametrów meteorologicznych (prędkość, kierunek
wiatru, temperatura, wilgotność, opad atmosferyczny).
3. Pomiary uzupełniające (okresowe):
- pomiar stężeń BC (ang. black carbon),
- pobór prób do badań składu chemicznego frakcji PM1, PM2,5.
Badanie składu granulometrycznego pyłu w miejscach poboru próbek
Celem zadania są następujące:
- poznanie własności fizycznych (składu frakcyjnego) aerozolu atmosferycznego,
- zgromadzenie danych dla potrzeb analiz w zakresie określenia źródeł jego
pochodzenia,
- określenia profilu (składu frakcyjnego) aerozoli atmosferycznych dla potrzeb oceny
zagrożenia populacji,
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
24
- zgromadzenie danych dla potrzeb modelowania statystycznego w zakresie
zmienności składu frakcyjnego nanoaerozoli.
W raportowanym okresie zakres badań prac obejmował:
- przygotowanie stanowisk badawczych,
- instalację aparatury pomiarowej,
- wykonanie infrastruktury do transmisji danych,
- kalibracje aparatury,
- próbne testy pracy.
Dla potrzeb badań składu granulometrycznego pyłu w miejscach badań wytypowano
trzy typu aparatów pracujących w różnym zakresie pomiarowym wielkości cząstek aerozoli.
W punkcie pomiarowym w Raciborzu zainstalowano:
- Miernik liczebności cząstek w zakresie 0.03 nm- 1 µm - Model 3031/3031-1
Ultrafine Particle Monitors (UPM). Zasada działania UPM oparta jest na
dyfuzyjnym ładowaniu cząstek, za którym podąża segregacja rozmiarowa, w
układzie Differential Mobility Analyzer (DMA) oraz detekcji aerozolu za pomocą
czułego elektrometru. Przyrząd działa w trybie ciągłym;
- Urządzenie do badań stężeń i liczebności cząstek w zakresie 1 - 20 µm - APS
Model 3321. APS, jest urządzeniem wykorzystującym działanie światła
laserowego. Spektrometr cząsteczkowy umożliwia pomiar w czasie rzeczywistym,
następujących parametrów aerozolu:
o średnica aerodynamiczna: zakres detekcji – cząstki o rozmiarach 0.5 – 20 µm,
o względne natężenie rozpraszania światła: zakres detekcji – cząstki o
rozmiarach 0.5 – 20 µm;
- pomiar stężeń PM1, PM2,5, PM10 i TSP Model 8533/8534 DUSTTRAK™ DRX
Aerosol Monitor. Przyrząd wykorzystują działanie światła laserowego i pracuje w
czasie rzeczywistym, umożliwiając pomiar aerozolu w szerokim zakresie stężeń
(0.001 – 150 mg/m3). Przyrząd posiada zdolność jednoczesnego pomiaru frakcji
rozmiarowych pyłu zawieszonego w oparciu o detekcję pojedynczej cząstki, bez
potrzeby stosowania selektywnego otworu wlotowego.
Wyniki pomiarów rejestrowane są w czasie rzeczywistym na komputerze klasy PC z
możliwością zdalnego dostępu do zbiorów wyników i statusów aparatów przez Internet.
W punkcie pomiarowym w Zabrzu do badań składu granulometrycznego aerozoli poletko
pomiarowe wyposażono w:
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
25
- miernik liczebności cząstek w zakresie 0.03 nm - 1 µm - Model 3031/3031-1
Ultrafine Particle Monitors (UPM);
- Electrical Low Pressure Impactor ELPI™ (Electrical Low Pressure Impactor) -
jest przyrządem stosowanym w badaniach składu ziarnowego i stężenia cząstek
zawieszonych. Umożliwia pomiary w czasie rzeczywistym cząstek o rozmiarach
od 30 nm do 10 µm, przy czym przedział ten może rozciągać się nawet od 7 nm,
wykorzystując wersję ELPI ze stopniem filtracyjnym. Dane pomiarowe
rejestrowane są w 12 kanałach rozmiarowych. Urządzenie umożliwia pomiar
liczebności cząstek oraz pomiar stężeń, objętości i powierzchni zastępczej
poszczególnych frakcji aerozoli.
W dniu 1 stycznia 2010 r. rozpoczęto kampanię pomiarową w dwóch lokalizacjach w
Zabrzu i w Raciborzu. Wyniki rocznej serii będą przedmiotem analizy po zakończeniu cyklu
badań.
Opracowanie rozkładu czasoprzestrzennego zanieczyszczeń powietrza w badanym obszarze
przy wykorzystaniu wyników badań bieżących oraz historycznych
Celem pracy jest analiza danych historycznych dotyczących stanu zanieczyszczenia
powietrza w obszarze modelowym aglomeracja górnośląska, dla potrzeb określenia poziomu
bazowego zanieczyszczeń atmosfery w kontekście planowanych działań strategicznych
dotyczących ograniczenia emisji antropogenicznej wpływającej negatywnie na jakość życia
populacji i klimat. Zakres przy obejmował:
- analizę danych dostępności danych o zanieczyszczeniu powietrza w aglomeracji
górnośląskiej,
- analizę dostępnych danych dotyczących zanieczyszczenia powietrza w kraju,
- analizę statystyczną serii badań PM2,5 i PM10 oraz stosunku PM2,5/PM10 dla
potrzeb oceny wskaźników proponowanych do oceny stężeń historycznych PM2,5
na bazie pomiarów PM10 (pomiary PM2,5 na szeroką skalę rozpoczęto w kraju od 1
stycznia 2010 r.),
- ocenę wartości wskaźnika AQI (indeksu jakości powietrza), jako wskaźnika
jakości życia populacji.
Analiza statystyczna z wykorzystaniem pakietu statystycznego Statistica i arkusza
Exel. W pracy wykorzystano dostępne dane o zanieczyszczeniu powietrza – bazy danych IPIŚ
PAN o stężeniach PM2,5/PM10 prowadzonych w ramach działalności własnej i w ramach
PMŚ. W obliczeniach indeksu za lata 2006-2008 wykorzystano dane przekazane przez
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
26
Główny Inspektorat Ochrony Środowiska do Europejskiej Agencji Środowiska, zawarte w
bazie AirBase.
W wyniku przeprowadzonej analizy dostępnych danych wybrano 48 stacji
pomiarowych zlokalizowanych w 38 miejscowościach, w 16 województwach. Spośród
wybranych stacji pomiarowych 24 stanowią stacje tła miejskiego, 15 – tła pozamiejskiego, 8 –
stacje komunikacyjne oraz 1 stacja tła podmiejskiego.
Do obliczeń wykorzystano zweryfikowane serie wyników pomiarów. Na potrzeby
wyznaczenia indeksu dobowego wykorzystano dane, które zostały poddane odpowiedniemu
przetworzeniu, zgodnie z obowiązującymi dla indeksu CAQI zasadami:
- dla SO2, NO2 i O3 – uwzględniono dobowe stężenia maksymalne ze stężeń
średnich 1-godzinnych uzyskanych przy pomocy pomiarów automatycznych,
- CO – uwzględniono maksymalne dobowe stężenia średnie 8-godzinne obliczone
jako średnia krocząca ze stężeń średnich 1-godzinnych uzyskanych przy pomocy
pomiarów automatycznych,
- dla PM10 - uwzględniono średnie 24-godzinne pochodzące z pomiarów metodą
manualną wagową lub obliczone ze stężeń średnich 1-godzinnych uzyskanych
przy pomocy pomiarów automatycznych.
Dla potrzeb oceny udziału PM2,5 w PM10 wykorzystano wyniki badań prowadzonych w
Zabrzu, Katowicach i Dąbrowie Górniczej. Przedstawiono zestawienia statystyczne i
zmienność stosunku PM2,5/PM10. Wyniki oceny indeksu dla kraju przestawiono w formie
tabelarycznej i graficznie. Dla potrzeb dalszych analiz przygotowano arkusze danych w
formacie Exel.
Próba określenia związków stężeń i składu chemicznego pyłu z warunkami topograficznymi,
urbanizacją i meteorologią
W ramach zadania wykonano następujące prace:
- dokonano próby określenia związku stężeń i składu chemicznego pyłu z
warunkami topograficznymi, urbanizacją i meteorologią (badania w dwóch
lokalizacjach),
- wstępnie zbadano własności optycznych aerozolu atmosferycznego,
- zgromadzono dane dla potrzeb analiz w zakresie określenia źródeł jego
pochodzenia,
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
27
- zbadano możliwości wykorzystania pomiarów parametrów optycznych atmosfery
(badania z wykorzystaniem nefelometru) do oceny zasięgu i skali poziomu
zanieczyszczenia atmosfery aerozolami.
W rozpatrywanym okresie badań zakres prac obejmował również:
- przygotowanie stanowisk badawczych,
- instalację aparatury pomiarowej,
- wykonanie infrastruktury do transmisji danych,
- kalibrację aparatury,
- próbne testy pracy.
Dla potrzeb pracy przygotowano dwa stanowiska pomiarowe wyposażone w
zawansowana aparaturę do badań zmienności stężeń i własności optycznych aerozoli –
nefelometry pracujące w trzech zakresach długości fal. Ponieważ absorpcja i rozpraszanie są
zależne od długości fali padającego światła a także rozmiaru, kształtu i składu chemicznego
cząstek zawieszonych, możliwa jest szeroka i dogłębna analiza pyłu zawieszonego poprzez
pomiar w danym zakresie widmowym:
- fala niebieska (450 nm): oddziałuje silnie z cząstkami drobnymi i ultradrobnymi
(pożary lasów, samochody, spalanie),
- fala zielona (520 nm): oddziałuje silnie w całym ludzkim zakresie widzialności
(widzenia) (smog, mgła, zamglenie);
- fala czerwona (700 nm) oddziałuje silnie z dużymi cząstkami zawieszonymi
(pyłki, sól morska). Przewidziano prowadzenie ciągłych pomiarów współczynnika
rozpraszania światła w połączeniu z badaniami wykonywanymi w ramach zadania
(badanie składu granulometrycznego aerozoli) pozwoli na analizę statystyczną
wpływu czynników topograficznych, urbanistycznych i klimatycznych na
kształtowanie się poziomu stężeń i skład chemiczny aerozoli.
Dla potrzeb badań składu chemicznego przewidziano okresowy pobór PM1, z
wykorzystaniem głowic separacyjnych i impaktorów kaskadowych z oceną stężeń metodą
grawimetryczną i analizą pierwiastków śladowych - metoda EDXRF.
W dniu 1 stycznia 2010 r. rozpoczęto kampanie pomiarowe w dwóch lokalizacjach w
Zabrzu i w Raciborzu. Wyniki rocznej serii będą przedmiotem analizy po zakończeniu cyklu
badań.
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
28
Podsumowanie
Zagadnienie wpływu klimatu na jakość powietrza jak też i jakości powietrza na klimat
jest niezwykle skomplikowane i często w badaniach naukowych dyskutowane. Różne są
podejścia do tego problemu począwszy od zaniedbywania wpływu czynników naturalnych,
przy jednoczesnym uwypuklaniu wpływu działalności człowieka na zanieczyszczenie
powietrza po skrajne poglądy, że oto przyroda ma znaczenie decydujące w tej mierze. Prawda
prawdopodobnie umiejscowiona jest zapewne pomiędzy tymi dwoma tezami. Dość
stwierdzić, że system człowiek – środowisko – atmosfera jest systematycznie modyfikowany
już to przez rozmaite czynniki naturalne, już to przez działalność antropogeniczną.
Niniejsze opracowanie, które stanowi raport z pierwszego roku realizacji zadania pn.
„Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia – możliwości
ograniczenia skutków” wykonano zgodnie z harmonogramem.
Opracowanie to dotyczyło głównie obszaru najbardziej narażonego na oddziaływanie
negatywnych skutków zanieczyszczenia powietrza w Polsce – Śląska i Małopolski. Na
obszarze tym skupiającym ponad 30% mieszkańców dużych miast Polski występuje znaczna
część emitorów i duża imisja zanieczyszczeń. Stąd wypracowane tu rozwiązania poprzez
diagnozę sytuacji, prognozę zarówno krótkoterminową jak też i długofalową a w
konsekwencji ocenę skutków, choć ukierunkowane na ten obszar, będą w konsekwencji
zawierały narzędzia pozwalające na dokonanie takich działań na obszarze całej Polski.
W pracy skupiono się również na wybranych zanieczyszczeniach, które w ocenie naukowców
stanowią największe realne zagrożenie, zwłaszcza dla Europy, w tym Europy Centralnej. W
ostatnich latach Unia Europejska dopatruje się możliwości redukcji poziomu zanieczyszczeń,
poprzez likwidację lokalnych ich źródeł. Takiemu celowi mają służyć tzw. plany ochrony
powietrza. Aby jednak były one skuteczne należy dobrze zidentyfikować problem. A
istniejący problem to nie tylko wzrastająca emisja pyłu i to małej frakcji, niezbadane skutki
zdrowotne wnikania nanocząstek do organizmu, ale także niekorzystne warunki
meteorologiczne. To właśnie pogoda determinuje w znacznej mierze jakość powietrza.
Występowanie szczególnie warunków stagnacyjnych nad dużym obszarem powoduje z jednej
strony daleki i wolny transport małych cząstek z nieraz odległych od miejsca depozycji
miejsc, ale przede wszystkim w warunkach Polski, ogrzewanej ze źródeł
niezorganizowanych, powoduje groźne dla zdrowia tzw. epizody smogowe. Identyfikacja ich
przyczyn, analiza czasu trwania w zależności od warunków synoptycznych to także cel części
pracy. W pracy starano się zwrócić również uwagę na ile wieloletnia zmienność klimatu może
powodować warunki sprzyjające określonym niekorzystnym stanom jakości powietrza. W
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
29
tym przypadku zachodzi także sprzężenie zwrotne. Okazuje się bowiem, że zwiększona
koncentracja pyłów przynieść może określone skutki klimatyczne i to nie tylko w skali
lokalnej.
Częściowo odpowiedzi na te pytania zostały już zasygnalizowane, jednak podstawową
wartością dodaną tej części pracy jest wypracowanie, przetestowanie i wdrożenie metodyk
pracy, które w oparciu o zgromadzoną przez pierwszy etap pracy bazę wiedzy będą służyć
rozwiązaniu postawionemu celowi pracy: określeniu wzajemnych relacji pomiędzy
zanieczyszczeniem powietrza a zespołem warunków meteorologicznych w sytuacji
obserwowanych zmian klimatu i ich wpływu na potencjalne skutki społeczno – ekonomiczne.
Propozycja praktycznego wykorzystania wyników badań
Wyniki badań pomiarowe jak i metodyczne otrzymane w ramach zadania 2 mogą być
wykorzystane:
- przy opracowaniu strategii zarządzania jakością powietrza oraz przy ocenie
antropogenicznych aspektów zanieczyszczenia powietrza w ramach planów i programów
ochrony środowiska i działań naprawczych na rzecz ograniczenia skutków zmian klimatu,
na poziomie krajowym i regionalnym;
- zakupiony system pomiarowy zanieczyszczeń pyłowych może być wykorzystany w
kampaniach pomiarowych związanych z badaniami atmosfery dla potrzeb oceny emisji
aerozoli ze specyficznych źródeł naturalnych lub antropogenicznych (system jest semi-
mobilny) w celu wspomagania osłony meteorologicznej środowiska, może być
wykorzystany również przy planowaniu zakupów wyposażenia dla potrzeb
rozbudowanych systemów monitorowania aerozoli atmosferycznych w skali kraju oraz
dla potrzeb oceny wpływu zanieczyszczeń na bilans radiacyjny atmosfery i ocenę wpływu
aerozoli na własności optyczne atmosfery z punktu widzenia zmian klimatu.
Literatura
- Andreae, M.O.: Climatic effects of changing atmospheric aerosol levels. In: Future Climates of the
World: A Modelling Perspective. A. Henderson-Sellers (Ed), Elsevier, Amsterdam, 1995
- APS: Model 3321 Aerodynamic Particle Sizer® Spectrometer. Instruction Manual. P/N 1930092,
Revision E. January 2004
- Chow J.C.: Measurement methods to determine compliance with ambient air quality standards for
suspended particles. Journal of Air and Waste Management Association, 1995, 45, 320–382
- CLRTAP: Convention on Long-range Transboundary Air Pollution, 1979
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
30
- DUSTTRAK: Model 8533/8534. DUSTTRAK™ DRX Aerosol Monitor. Operation and Service
Manual. P/N 6001898, Revision C. May 2009
- EC: Council Directive 96/62/EC of 27 September 1996 on ambient air quality assessment and
management
- EEA: EEA Report No 2/2007. Air Pollution in Europe 1990–2004
- ELPI: ELPI. User Manual, ver 3.20.Dekati Ltd., 2003
- ELPI: ELPI VI 3.1. Software Manual, ver 3.20.Dekati Ltd., 2003
- EMEP: EMEP. Transboundary Particulate Matter in Europe. Status report 4/2009
- Friedlander, S.K.: The characterization of aerosols distributed with respect to size and chemical
composition – II. Aerosol Science and Technology, 1971, 2, 331–340
- Friedlander, S.K.: The characterization of aerosols distributed with respect to size and chemical
composition – I. Aerosol Science and Technology, 1970, 1, 295–307
- Grosjean, D., Friedlander, S.K.: Gas-particle distribution factors for organic and other pollutants
in the Los Angeles atmosphere. Journal of the Air Pollution Control Association, 1975, 25, 1038
- Hinds, W.C.: Aerosol technology. Properties, behaviour, and measurement of airborne particles.
Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. New York, 1998
- Kobus D.: Wyznaczenie wartości indeksu jakości powietrza na podstawie wyników z wybranych
stacji pomiarowych z Polski. IOŚ Warszawa, 2009, praca niepublikowana
- Makowski K., Wild M., Chmura A.: Diurnal temperature range over Europe between 1950 and
2005. Atmos. Chem. Phys., 2008, 8, 6483-6498
- Neph 3000: ECOTECH Environmental Monitoring. Aurora-3000. 3-Wavelength Integrating
Nephelometer. User Manual. Version 1:1. October, 2008
- Neph 3563: Model 3563 Integrating Nephelometer Operation and Service Manual. P/N 1933563,
Revision F. December 2005
- Putaud, J.P., Raes, F., Van Dingenen, R., Brüggemann, E., Facchini, M.C., Decesari, S., Fuzzi, S,
Gehrig, R., Hüglin, C., Laj, P., Lorbeer, G., Maenhaut, W., Mihalopoulos, N., Müller, K., Querol,
X., Rodriguez, S., Schneider, J., Spindler, G., ten Brink, H., Tørseth, K., Wiedensohler, A.: A
European aerosol phenomenology – 2: chemical characteristics of particulate matter at kerbside,
urban, rural and background sites in Europe. Atmospheric Environment 2004, 38, 2579–2595
- Querol, X., Viana, M., Alastuey, A., Amato, F., Moreno, T., Castillo, S., Pey, J., Rosa, J., Campa,
A.S., Artíňano, B., Salvador, P., Santos, S.G., Fernández-Patier, R., Moreno-Grau, S., Negral, L.,
Minguillón, M.C., Monfort, E., Gil, J.I., Inza, A., Ortega, L.A., Santammaría, J.M., Zabalza J.:
Source origin of trace elements in PM from regional background, urban and industrial sites of
Spain. Atmospheric Environment, 2007, 41, 7219–7231
- Ruckstuhl C., Philipona R. i in.: Aerosol and Cloud effects on solar brightening and the recent
rapid warming. Geophys. Res. Lett., 2008, 35
Projekt: KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo”. Zadanie nr 2 „Stan zanieczyszczeń powietrza w Polsce i jego wpływ na jakość życia-możliwości ograniczenia skutków.”
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
31
- Querol, X., Alastuey, A., Rodriguez, S., Plana, F., Ruiz, C.R., Cots, N., Massague, G., Puig, O.:
PM10 and PM2,5 source apportionment in the Barcelona Metropolitan area, Catalonia, Spain.
Atmospheric Environment, 2001, 35, 6407–6419
- Seinfeld, J.H., Pandit, S. N.: Atmospheric chemistry and physics: from air pollution to climate
change. John Wiley & Sons, Inc., New York, 1998
- SMIC: Inadvertent climate modification. Report of the study of man`s impact on climate, MIT
Press, Cambridge, MA, 1971
- TSI: Particle Instruments. Model 3321 Aerodynamic Particle Sizer® Spectrometer. High-
resolution aerodynamic sizing plus light-scattering intensity! TSI (2008): TSI Particle Technology.
Particle Catalog, 2004
- UPM: Models 3031/3031-1 Ultrafine Particle Monitors. User’s Manual. P/N 6001716, Revision B.
March 2009
- Vallius, M.: Characteristics and sources of fine particulate matter in urban air. National Public
Health Institute, Department of Environmental Health, Kuopio, Finland, 2005
- Vallius, M., Janssen, N.A.H., Heinrich, J., Hoek, G., Ruuskanen, J., Cyrys, J., Van Grieken, R., de
Harto, J. J., Kreyling W.G., Pekkanen J.: Sources and elemental composition of PM2,5 in three
European cities. Science of Total Environment,2005, 337, 147–162
- Van Dingenen, R., Raes, F., Putaud, J.P., Baltensperger, U., Charron, A., Facchini M. C.,
Decesari, S., Fuzzi, S., Gehrig, R., Hansson, H. C., Harrison, R.M., Hüglin, C., Jones, A.M., Laj,
P., Lorbeer, G., Maenhaut, W., Palmgren, F., Querol, X., Rodriguez, S., Schneider, J., ten Brink,
H., Tunved, P., Tørseth, K., Wehner, B., Weingartner, E., Wiedensohler, A., Wåhlin, P.: A
European aerosol phenomenology–1: physical characteristics of particulate matter at kerbside,
urban, rural and background sites in Europe. Atmospheric Environment, 2004, 38, 2561–2577
- Vautard R., Yiou P., Oldenborgh van G. J.: Decline of fog, mist and haze in Europe over the past
30 years. Nature Geoscience, 2009, 2, 115-119
- WMO: Aerosol measurement procedures guidelines and recommendations. September 2006
WMO GAW no 153